(57)【要約】【課題】低電流領域から高電流領域までの幅広い負荷変動に対しても高性能・高寿命を可能とするＰＥＦＣの発電装置およびＰＥＦＣの加湿方法を提供する。【解決手段】制御装置６０が、空気流量を調整するマスフローコントローラ１０のその調整値と、マスフローコントローラ１０から供給される空気流量を加湿装置３０とミキサー４０とに分配する分配装置２０の分配率とを制御し、加湿装置３０で加湿された空気と無加湿の空気とをミキサー４０で混合した後、低空気流量供給領域では高加湿空気を、高空気流量領域では低加湿空気をＰＥＦＣに供給するＰＥＦＣ発電装置またはＰＥＦＣの加湿方法。【選択図】図１
2007122953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子形燃料電池に供給する空気流量と空気の相対湿度とを所定値に制御する制御装置と、
前記空気流量を前記所定値に調整するマスフローコントローラと、
前記マスフローコントローラから供給される空気流量の一部を加湿する加湿装置と、
前記マスフローコントローラから供給される空気流量を、所定の分配比率で前記加湿装置へ供給する空気流量と該加湿装置をバイパスする空気流量とに分配する分配装置と、
前記加湿装置で加湿された空気と該加湿装置をバイパスした無加湿の空気とを混合するミキサーとを有し、前記マスフローコントローラで調整される所定の空気流量と前記分配装置で分配される所定の分配比率が、前記制御装置によって制御されるものであり、前記ミキサーで混合され所定の湿度を有する加湿空気として固体高分子形燃料電池に供給される固体高分子形燃料電池発電装置であって、
低空気流量供給領域では高加湿空気を、高空気流量供給領域では低加湿空気を固体高分子形燃料電池に供給することを特徴とする固体高分子形燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記加湿装置が、固体高分子形燃料電池のセルの生成水を使用することを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記制御装置は、該制御装置に読込まれたプログラムによって制御を行うものであり、該プログラムは、前記マスフローコントローラで調整される所定の空気流量と、前記分配装置で分配される所定の分配比率の制御が、負荷電流値を検出する電流検出器によって検出された負荷電流値に基いて行われるように作成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子形燃料電池発電装置。
【請求項４】
固体高分子形燃料電池に供給する空気流量と空気の相対湿度とを所定値に制御する制御装置と、
前記空気流量を前記所定値に調整するマスフローコントローラと、
前記マスフローコントローラから供給される空気流量の一部を加湿する加湿装置と、
前記マスフローコントローラから供給される空気流量を、所定の分配比率で前記加湿装置へ供給する空気流量と該加湿装置をバイパスする空気流量とに分配する分配装置と、
前記加湿装置で加湿された空気と該加湿装置をバイパスした無加湿の空気とを混合するミキサーとを有し、前記マスフローコントローラで調整される所定の空気流量と前記分配装置で分配される所定の分配比率が、前記制御装置によって制御されるものであり、前記ミキサーで混合され所定の湿度を有する加湿空気として固体高分子形燃料電池に供給される固体高分子形燃料電池の加湿方法であって、
低空気流量供給領域では高加湿空気を、高空気流量供給領域では低加湿空気を固体高分子形燃料電池に供給することを特徴とする固体高分子形燃料電池の加湿方法。
【請求項５】
前記加湿装置が、固体高分子形燃料電池のセルの生成水を使用することを特徴とする請求項４に記載の固体高分子形燃料電池の加湿方法。
【請求項６】
前記制御装置は、該制御装置に読込まれたプログラムによって制御を行うものであり、該プログラムは、前記マスフローコントローラで調整される所定の空気流量と、前記分配装置で分配される所定の分配比率の制御が、負荷電流値を検出する電流検出器によって検出された負荷電流値に基いて行われるように作成されたものであることを特徴とする請求項４または５に記載の固体高分子形燃料電池の加湿方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池（以下「ＰＥＦＣ」と呼ぶ。）およびその燃料電池の加湿方法に関し、より詳しくは、ＰＥＦＣの電解質膜の加湿度を所定の高加湿状態に維持するように、ＰＥＦＣへ供給する反応ガスのガス流量および加湿度を負荷変動に応じて制御する燃料電池発電装置およびその燃料電池の加湿方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＰＥＦＣは、形状をコンパクトにすることができ、電気出力が高出力であり、さらにシステムを簡素化させて運転できるので、定置用分散電源のほか携帯用、車両用などの電源として幅広い分野の適用が注目されている。
【０００３】
そして、ＰＥＦＣの電解質膜にはパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂が広く用いられているが、この膜は、高湿潤状態では高性能・高寿命を発揮するが、低加湿条件下では膜が痩細り、ガスリークが発生し、フッ素イオンが放出されるという膜劣化現象が見られる。
【０００４】
特に、自動車用ＰＥＦＣについては、その耐久性は定置用と比べて,寿命時間は５０００時間と短いが、加速・減速を頻繁に繰返すため、１０万回を超える負荷変動が要求され、電解質膜の使用条件は厳しいものとなっている。
【０００５】
図５は下記特許文献１に示されたＰＥＦＣの説明図であるが、中央部に配置する固体高分子電解質膜２２２の両側のうち、一側に燃料電極２２５を備え、他側に酸化剤電極２２３を備えるとともに、酸化剤電極２２３は、固体高分子電解質２２２から外側の酸化剤セパレータ２２４に向って順に、酸化剤触媒層２２９、酸化剤ガス拡散層２３１を配置し、酸化剤触媒層２２９と酸化剤ガス拡散層２３１との間に水の蒸発速度を制御する機能を持たせた水蒸発制御用多孔層２３０であり、かつ酸化剤ガスの入り口側から出口側に向かって水蒸発制御機能が段階的に増大するものを備え,水の蒸発速度を制御することにより負荷の大小に関係なく酸化剤ガスの流れに沿い、入り口側から出口側に向かって固体高分子電解質膜２２２や酸化剤触媒層２２９内の湿度分布を均一化させることが行われている。
【０００６】
また、図６は下記特許文献２に示されているＰＥＦＣ装置であり、燃料ガス（水素）および／または酸化剤ガス（空気）を供給するための供給通路３１６、３１８に設けられたガス流量メータ３５２と、ガス供給通路３１６、３１８を流れるガスに必要に応じて純水を供給して加湿する高圧噴射ノズル３５４と、ガス流量メータ３５２からの信号に基いて高圧噴射ノズル３５４の純水噴射量を設定する制御手段３５６と、高圧噴射ノズル３５４の前段または後段に設けられ、ガス供給通路３１６、３１８を介して供給される前記ガスに一定量の純水Wにより常時加湿を行う加湿部３１４とを備え、この加湿部３１４が、水透過膜３３６a〜dとその水透過膜３３６a〜dの一方の面側に形成される燃料ガス供給通路３３８a、bまたは酸化剤ガス通路３４２a、bと水透過膜３３６a〜dの他方の面側に形成される加湿用水路３４０a〜ｄとを備え、燃料電池３１２の負荷が小さい場合（ガス供給管３１６を流れる水素の供給量が少ない場合）には、この水素および／または空気は、加湿部３１４のみにより加湿されて燃料電池３１２の発電部３２６に供給され、燃料電池３１２の負荷が大きい場合（ガス供給管３１６を流れる水素の供給量が多い場合）には、制御手段３５６を介して高圧噴射ノズル３５４が作動し、加湿部３１４による加湿にこの高圧噴射ノズル３５４による加湿が付加され、ガス流量に応じた微細な加湿量制御ができるというものが示されている。
【特許文献１】特開２００３−９２１１２号公報
【特許文献２】特開平１０−１７２５９３号公報
【非特許文献１】小林健二他、第１２回燃料電池シンポジウム講演予稿集、９３−９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、自動車用ＰＥＦＣはアイドリングからフル加速までの運転操作を行うため、低電流領域から高電流領域までの幅広い負荷変動が必須であり、それに応じたガス流量の供給を必要とするが、発生する電流量によって生成水の発生割合が異なるため、上記特許文献１に示されたような酸化剤触媒層３２９と酸化剤ガス拡散層３３１との間に水の蒸発速度を制御させる機能を持たせた水蒸発制御用多孔層３３０を備えたＰＥＦＣとしても、一定加湿条件下でアイドリングからフル加速までの総ての運転領域において電解湿膜の湿度を一定の高湿度状態に保つことは困難であった。
【０００８】
また、高負荷時にはセル内の生成水が増加するため、高負荷時には低加湿としフラディングを防止する必要もあった。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高性能・高寿命のＰＥＦＣを得るには、ＰＥＦＣの電解質膜の湿度を一定の湿度状態に保つことが必要であり、そのためには上記特許文献１に示した構成のセルと組合わせて低空気流量供給領域では高加湿を、高空気流量供給領域では低加湿とすることが不可決であるとの知見に基いてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するための第１の発明は、固体高分子形燃料電池に供給する空気流量と空気の相対湿度とを所定値に制御する制御装置と、前記空気流量を前記所定値に調整するマスフローコントローラと、前記マスフローコントローラから供給される空気流量の一部を加湿する加湿装置と、前記マスフローコントローラから供給される空気流量を、所定の分配比率で前記加湿装置へ供給する空気流量と該加湿装置をバイパスする空気流量とに分配する分配装置と、前記加湿装置で加湿された空気と該加湿装置をバイパスした無加湿の空気とを混合するミキサーとを有し、前記マスフローコントローラで調整される所定の空気流量と前記分配装置で分配される所定の分配比率が、前記制御装置によって制御されるものであり、前記ミキサーで混合され所定の湿度を有する加湿空気として固体高分子形燃料電池に供給される固体高分子形燃料電池発電装置であって、低空気流量供給領域では高加湿空気を、高空気流量供給領域では低加湿空気を固体高分子形燃料電池に供給することを特徴とする固体高分子形燃料電池発電装置である。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記加湿装置が、固体高分子形燃料電池のセルの生成水を使用することを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電装置である。
【００１２】
第３の発明は、第１または２の発明において、前記制御装置は、該制御装置に読込まれたプログラムによって制御を行うものであり、該プログラムは、前記マスフローコントローラで調整される所定の空気流量と、前記分配装置で分配される所定の分配比率の制御が、負荷電流値を検出する電流検出器によって検出された負荷電流値に基いて行われるように作成されたものであることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電装置である。
【００１３】
第４の発明は、固体高分子形燃料電池に供給する空気流量と空気の相対湿度とを所定値に制御する制御装置と、前記空気流量を前記所定値に調整するマスフローコントローラと、
前記マスフローコントローラから供給される空気流量の一部を加湿する加湿装置と、前記マスフローコントローラから供給される空気流量を、所定の分配比率で前記加湿装置へ供給する空気流量と該加湿装置をバイパスする空気流量とに分配する分配装置と、前記加湿装置で加湿された空気と該加湿装置をバイパスした無加湿の空気とを混合するミキサーとを有し、前記マスフローコントローラで調整される所定の空気流量と前記分配装置で分配される所定の分配比率が、前記制御装置によって制御されるものであり、前記ミキサーで混合され所定の湿度を有する加湿空気として固体高分子形燃料電池に供給される固体高分子形燃料電池の加湿方法であって、低空気流量供給領域では高加湿空気を、高空気流量供給領域では低加湿空気を固体高分子形燃料電池に供給することを特徴とする固体高分子形燃料電池の加湿方法である。
【００１４】
第５の発明は、第４の発明において、前記加湿装置が、固体高分子形燃料電池のセルの生成水を使用することを特徴とする固体高分子形燃料電池の加湿方法である。
【００１５】
第６の発明は、第４または５の発明において、前記制御装置は、該制御装置に読込まれたプログラムによって制御を行うものであり、該プログラムは、前記マスフローコントローラで調整される所定の空気流量と、前記分配装置で分配される所定の分配比率の制御が、負荷電流値を検出する電流検出器によって検出された負荷電流値に基いて行われるように作成されたものであることを特徴とする固体高分子形燃料電池の加湿方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、低空気流量供給領域では高加湿空気を、高空気流量供給領域では低加湿空気をＰＥＦＣに供給することを特徴とするＰＥＦＣ発電装置およびＰＥＦＣの加湿方法であるから、自動車用ＰＥＦＣのように、加速/減速を頻繁に繰返し、１０万回を超える負荷変動が要求される場合にも、高性能・高寿命のＰＥＦＣ発電装置およびＰＥＦＣの加湿方法を提供できるという効果がある。
【００１７】
また、加湿装置にセルの生成水を使用するものであるから、水の補給量が減少するという効果がある。
【００１８】
また、負荷電流の変化に対して、供給する空気の流量と加湿度が、負荷電流値を検出する電流検出器によって検出された負荷電流値に基いて行われるように作成されたプログラムを制御装置に読込んで制御するものであるから、負荷電流の変化に対して、供給する空気の流量と加湿度を自動的に精度良く行うことができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
表１は、アノードとカソードの触媒層の相対湿度が、供給する空気（酸化剤ガス）の相対湿度と、電流密度（負荷）を０.１、０.４５、０.８Ａ/ｃｍ２の３種に変化させたとき、どのように変化するかを示したものであり、表２はガス拡散層（以下「ＧＤＬ」と呼ぶ。）に水管理多孔層（以下「ＷＭＬ」と呼ぶ。）を塗布したときの、アノードとカソードの両触媒層の相対湿度が、空気の相対湿度と、電流密度を変化させたとき、どのように変化するかを示したものである。表１、表２（上記非特許文献に記載）に示されているように、ＷＭＬをＧＤＬに塗布することで、触媒層からガス路への蒸気の透過が抑えられ、またＷＭＬの塗布の有無に関係なく電流密度を高くすると、それに比例して電極反応によって生成する水の量が増大し、それに伴って両触媒層の相対湿度が向上する。しかし、空気入り口部では相対湿度が低く、電流密度が低い運転においては電解質膜や、触媒層の乾燥は必至であり、セル電圧の低下は勿論のこと早期に電解湿膜が劣化する。言い換えれば、負荷変動下においては低電流密度域においては加湿を高め、高電流密度域においては低加湿の状態で運転することがＰＥＦＣの高性能・高寿命化を図る上で不可欠となる。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係るＰＥＦＣの加湿方法を説明するためのブロック図である。図１において、７０は電流検出器、６０は電流検出器７０によって検出された電流値によってＰＥＦＣに供給される空気流量を制御するコントローラである。１０はコントローラ６０の制御によって空気流量を調整するマスフローコントローラである。３０は空気流量の一部を加湿する加湿装置であり、４０は加湿装置３０で加湿された空気と無加湿の空気とを混合するミキサーである。２０はＰＥＦＣに供給する空気流量を、加湿装置３０に供給する空気流量と、加湿装置３０を通さないで直接ミキサー４０に供給する空気流量とに分配する分配装置であり、５０はＰＥＦＣである。このように構成されたＰＥＦＣ発電装置において、コントローラ６０の制御により、低空気流量供給領域では高加湿空気が、高空気流量供給領域では低加湿空気がＰＥＦＣ５０へ供給される。なお、セル内で生成された生成水は、不図示のタンクに貯蔵され加湿装置３０に供給され使用される。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態に係る加湿装置の説明図であり、３１は水蒸気透過膜であり水蒸気は透過できるが水は透過できないという特性を有し、この水蒸気透過膜３１を境として、１側面に空気が通流し、他側面に水が通流するように流路が構成されており、空気が所定の湿度に加湿される。
【００２２】
図３は本発明の実施の形態に係る電流密度と空気流量の関係を示すグラフである。グラフ中、直線（イ）はＰＥＦＣに供給される空気流量ＱＡであり、空気流量ＱＡは電流値の増加とともに比例的に増加する。曲線（ロ）は加湿装置（図１に示す３０）へ供給される空気流量ＱＢであり、低空気流量供給領域では空気流量ＱＡに対して、高比率の空気流量ＱＢが、高空気流量供給領域では空気流量ＱＡに対して低比率の空気流量ＱＢが供給される。斜線部分は直接ミキサー（４０）へ供給される空気流量である。加湿装置３０では相対湿度が略１００％に加湿されるため、ミキサー（４０）で無加湿の空気と混
合された後に低空気供給流量域では高加湿の、高空気流量供給領域では低加湿の空気が燃料電池へ供給される。負荷電流の変化が電流検出器７０で読取られ、制御装置６０に読込まれている負荷電流値の変化に応じ所定の空気流量および所定の加湿度となるように作成されたプログラムに基いて、空気流量および加湿度が制御される。
【００２３】
図４は本発明の他の実施形態に係るＰＥＦＣの加湿方法を説明するためのブロック図であり、図１が空気のみを加湿しているのに対して、本実施の形態は空気と燃料の両方を加湿するものである。空気極側と燃料極側に加湿装置を設け、空気と燃料との両方を加湿することによって、電解湿膜の湿度制御をさらに高精度に行うのみならず、全体的に加湿器の小型化が可能となる。
【００２４】
なお、本実施の形態において、加湿装置は、膜加湿方式を使用したが、これに限定されるものではなくバブラー加湿方式、水蒸気添加方式を使用することもできる。
【００２５】
また、ＰＥＦＣに供給する空気の流量および加湿度の制御は、電流検出器７０によって検出される負荷電流値に基いて行うのみならず、実験や解析によって事前に求めた各種の運転状態においても所定の空気の流量と加湿度となるように作成されたプログラムを制御装置６０に読込んで制御することもできる。
【００２６】
上述の通り、本発明は、低空気流量供給領域では高加湿、高空気流量供給領域では低加湿とした空気をＰＥＦＣに供給すするＰＥＦＣ発電装置およびＰＥＦＣの加湿方法が可能となり、自動車用ＰＥＦＣのように、加速/減速を頻繁に繰返し、１０万回を超える負荷変動が要求される場合にも、高性能・高寿命のＰＥＦＣ発電装置およびＰＥＦＣの加湿方法を実現できる。
【００２７】
また、加湿装置にセルの生成水を使用するものであるから、水の補給量が減少するという効果がある。
【００２８】
また、負荷電流の変化に対して、供給する空気の流量と加湿度が、負荷電流値を検出する電流検出器によって検出された負荷電流値に基いて行われるように作成されたプログラムを制御装置に読込んで制御するものであるから、負荷電流の変化に対して、供給する空気の流量と加湿度の制御を自動的に精度良く行うことができる。
【００２９】
また、ＰＥＦＣに供給する空気の流量と加湿度の制御を、実験や解析によって事前に求められた各種の運転状態においても、供給する空気の流量と加湿度とが所定値となるように作成されたプログラムを制御装置６０に読込んで制御することにより、各種の変動する負荷に対しても、精度の高い電解質膜の加湿制御が可能となり、ＰＥＦＣの高性能・高寿命を実現できる。
【００３０】
【表１】
2007122953.tif 000003
【００３１】
【表２】
2007122953.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係るＰＥＦＣの加湿方法を説明するためのブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る加湿装置の説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電流密度と空気流量の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の他の実施形態に係るＰＥＦＣの加湿方法を説明するためのブロック図である。
【図５】従来例に係る加湿装置の内部構造の説明図である。
【図６】他の従来例に係る加湿装置の内部構造の説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１００・・ＰＥＦＣ発電装置
１０・・マスフローコントローラ（空気流量調整装置）
２０・・分配装置
３０・・加湿装置
３１・・水蒸気透過膜
４０・・ミキサー（混合器）
５０・・ＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）
６０・・コントローラ
７０・・電流検出器
【図１】
2007122953.tif 000005
【図２】
2007122953.tif 000006
【図３】
2007122953.tif 000007
【図４】
2007122953.tif 000008
【図５】
2007122953.tif 000009
【図６】
2007122953.tif 000010